东哈萨克斯坦州土壤腐殖-残积层重金属分布特征∗

玛克萨特阿赫买提哈丽耶娃，吕光辉

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；2.哈萨克国立大学化学与生态学院，哈萨克斯坦阿拉木图050040)

0 引言

土壤中广泛分布着各类重金属元素，包括铜、锌、锰、钴、铅、镉、铬、镍、砷、硒、汞等，这些重金属主要来源于土壤母质、农业污染、工业污染等[1−5].通过浸滤作用、再利用、侵蚀及风蚀等在生物圈中迁移，而影响重金属迁移的土壤因素有吸收能力、有机物质、pH、氧化还原条件等[6−11].

土壤中不断增长的“金属压力”对中亚地区的生态系统造成严重危害.然而，中亚地区缺乏土壤重金属背景值的相关研究数据.掌握土壤重金属背景值数据可以加强对中亚地区土壤重金属污染程度评价的客观性，为定量分析周边区域重金属污染速度提供数据支持，而且明确自然状态下的土壤重金属背景值及分布状况对开展中亚地区土壤重金属污染修复工作具有广泛的理论及实践意义.本文通过分析东哈萨克斯坦州自然环境下土壤重金属的含量及分布特征，为研究周边地区重金属污染提供科学的背景值.

1 自然概况

东哈萨克斯坦州位于哈萨克斯坦东部，在阿尔泰山西南、额尔齐斯河上游.北部同俄罗斯联邦阿尔泰边区相邻，东部同中国新疆维吾尔自治区接壤.东哈萨克斯坦为典型大陆性气候，具有明显的地带性景观，分布有荒漠、草原、原始森林、永久冰川和高山.东部山坡为黑钙土，往上是灰色森林土和山地草地土；桑盆地多为褐土，有些地段分布着沙土，西半部主要是含盐碱的深栗色土，仅在西南部有一些浅栗色土（有时还能见到黑钙土）[12].

2 研究对象及方法

研究区土壤样品取自于1995—2007年间的野外考察（图1）.选取腐殖土（A）-残积层（B）土壤层，土壤样品共628份.

土壤样品采集后去除沙砾、植物根系等异物，避光自然风干，过100目土壤筛.实验室测定土壤pH值、土壤有机质.用光比色测定法及双硫腙法测定重金属含量[13]，分析过程中使用“高座-2”光谱系统及“共振”电源以保证分析结果的敏感性及正确性.

利用SPSS 18.0 FOR WINDOWS统计软件，对各类重金属含量进行统计分析.

图1 研究区示意图

3 结果与分析

3.1 研究区土壤中的重金属含量的分布特征

研究显示，在研究区土壤腐殖-残积层中，铜、锌、锰、钴的平均含量依次低于其土壤中克拉克值含量的28.5%、58.4%、9.6%、36.0%（表1）.铅的含量与它在土壤中的克拉克值相吻合，而镉的含量是土壤中镉克拉克值的1.9倍.研究区重金属含量平均值呈以下递减的顺序：锰＞锌＞铜＞铅＞钴＞镉；重金属在研究区土壤中变异系数值（%）呈以下递减的顺序：镉（49.5）＞钴（26.4）＞铅（22.9）＞锌（21.9）＞锰（19.4）＞铜（19.1）.

表1 重金属在研究区不同土壤腐殖-残积层（A+B）中的平均含量（n=628）

研究区不同土壤类型腐殖-残积层（A+B）中的重金属，铜、钴、铅、镉在普通盐碱地含量最高，分别为15.5、8.2、13.2、1.46 mg/kg；锌、锰在草甸淡碳酸盐土壤中含量最高，分别为25.8、845.1 mg/kg；铜含量的最低值出现在普通淡栗钙土中（12.1 mg/kg）；锌、锰、钴、铅、镉的最低值出现在极度深栗钙土中，值分别是16.8、691.7、4.3、6.8、0.45 mg/kg.如表2所示，土壤重金属含量总体趋势是：普通盐碱地＞草甸淡碳酸盐＞碱地淡栗钙土＞极度草甸-淡栗钙土＞普通淡栗钙土＞极度深栗钙土.由此可见，重金属总含量最高值在碱地、盐碱地和草甸土壤中，最低值出现在极度深栗钙土和普通淡栗钙土中.铜元素在极度深栗钙土中变异最大，锌、镉元素在普通盐碱地中的变异最大，而锰、钴、铅元素的变异程度在极度深栗钙土中最大.

表2 重金属在研究区不同土壤腐殖-残积层（A+B）中总含量的变量-统计指数

分析发现，与栗钙土相比，草甸土的重金属含量要高一些，说明重金属含量受到土壤的有机质和细微分散的矿物相的影响，草甸土在A1-B1层具有大量有机质积累.深栗钙土和淡栗钙土中重金属总含量偏低是因为其具有较轻的力学成分（沙壤土、砂质土）和较低的腐殖土含量，缺少有机质及其成分和重金属组成不同的复合化合物，也缺乏细的分散的矿物相（重金属的强吸附剂）[14−16].因此，腐殖土、自然黏土（＜0.01mm）对重金属总含量具有较明显的影响（表3）.

随着土壤中腐殖土含量的增加，重金属总含量也呈增长的趋势.铜元素在轻草甸土中与腐殖土和自然黏土的正相关性较好，相关系数分别为80%、70%；锌元素与轻草甸土的腐殖土呈现显著的正相关（80%），而与盐碱地的腐殖土呈现显著的负相关（60%）；锰元素与淡栗钙土和轻草甸土的自然黏土呈现较好的正相关，相关系数分别为67%和65%；钴元素与极度深栗钙土的腐殖土具有显著正相关关系，相关系数为90%；铅元素与轻草甸土的自然黏土具有显著的正相关关系（90%），其次为极度深栗钙土的自然黏土（70%）；镉元素与淡栗钙土的自然黏土和轻草甸土的腐殖土具有较好的正相关关系，相关系数均为60%.

铜、锰元素与各土壤类型的pH值均呈现负相关，但不显著；锌元素在淡栗钙土、草甸-淡栗钙土、盐碱地中与pH值呈现负相关，在极度深栗钙土和轻草甸土中呈现正相关，相关关系不显著.除轻草甸土外，钴元素与其他5种土壤类型的pH值均呈现正相关关系，但不显著；铅元素与极度深栗钙土、淡栗钙土、盐碱土的pH值表现为负相关，与草甸-栗钙土、轻草甸土的pH值表现为正相关，但相关关系均不明显；除极度深栗钙土外，镉元素在其他5种土壤类型中与pH值表现为负相关，但相关关系同样不明显.

土壤中腐殖土含量增加50%，则锌、钴、镉含量分别增加40、30、70%；铜和锰总含量在腐殖-残积层中均匀增长，其中最高值在A1层；锰、钴和铅含量变化不大.钴和镉含量从淡砂质黏土到中等砂质黏土出现急剧增长趋势，分别增加20、60%.锌和钴含量从沙壤土到淡砂质黏土转变时增长了30%，铅、镉则增长了40%.随着土壤力学成分的加重，锰和铜总含量增长.发现不同土壤类型不会对重金属在其积累过程中产生本质的影响.但是与其他土壤类型相比，发现普通盐碱地中锌和锰集结（浓度）升高，这是一个例外.研究地区土壤中重金属总含量在集结克拉克值指数中具有镉-锰地球化学专业化的特点：Cd7.5Mn0.8Pb0.7Co0.4Cu0.3Zn0.2.

综上所述，研究土壤重金属含量依赖性时必须考虑土壤的类型、亚类及其它变异，而不仅仅是普通研究方法所采用的所有总和.研究区重金属总含量背景值略低于可允许最高浓度值时[17−19]，土壤中一些元素对农业动物可能产生病理影响，与其比较，铜、锌、钴背景含量处于阈值下限，而锰在正常范围内（表4）.与其他地区土壤相比，研究地区土壤中铜、锌和钴含量较低，而锰含量较高.因此，同一时期土壤中的农业化学指数会对重金属在不同地形-地球化学区域的含量产生影响[20,21].

表3 研究区域土壤重金属在腐殖-残积层中总形式含量和农业化学指数的相互关系

表4 重金属元素在土壤中集结的阈值浓度（按照B.B.科瓦里斯基[14]），mg/kg

3.2 研究区不同土壤类型重金属含量的差异性分析

重金属总含量在土壤剖面中分布不一致.铜、锌、镉在A1层含量具有最高值，最低值出现在残积层B.残积层重金属含量升高是因为该层自然黏土（<0.01 mm）碳酸盐和碱性物质沉淀导致重金属含量增加.水性土壤悬浮液在表层A1反应碱性较弱，但随着深度增加而加强.也就是说pH值接近中和时重金属吸收有机质和黏土矿物质最强.重金属在腐殖-残积层土壤中（A1、B1、B2）含量分布规律如下：铜、锌、锰、钴、铅、镉6种重金属均在A1层含量最高，分别为14.3、23.4、799.9、7.1、11.6、1.19 mg/kg；铜、锌、镉3种重金属含量在B2层最低；锰、钴、铅3种重金属含量在B1层最低（图2）.

由此可知，重金属含量在土壤剖面的垂直分布具有差异，腐殖层（A1）土壤中有机质含量高于残积层B（B1+B2），因而重金属在A1层中的含量要高于残积层B（B1+B2）（图2），其中铜含量为1.3-12.8%、锌为10.5-39.0%、锰为1.9-26.8%、钴为2.2-25.0%、铅为0.8-22.0%、镉为10.0-52.7%.重金属元素含量在土壤垂直剖面中的分布呈递减顺序（图2），而且6种重金属的含量递减顺序依次是镉＞铅＞锌＞锰＞钴＞铜.镉在土壤腐殖-残积层容易迁移；相反，铜属于相对稳定元素，在土壤中不容易迁移，与有机质可以形成稳定的复合物.研究表明，各类土壤中的重金属总含量和土壤种类间的相关性不一致，见表3.

图2 腐殖土、自然黏土（＜0.01mm）对重金属总含量的影响及重金属的分布

4 结论

东哈萨克斯坦地区自然环境土壤中的重金属（铜、锌、锰、钴、铅、镉）随着植被类型、土壤种类多样性的不同表现出不同含量.研究区土壤的镉、锰含量具有镉-锰地球化学特性Cd7.5Mn0.8Pb0.7Co0.4Cu0.3Zn0.2.土壤重金属含量总体趋势为普通盐碱地＞草甸淡碳酸盐＞碱地淡栗钙土＞极度草甸-淡栗钙土＞普通淡栗钙土＞极度深栗钙土，与富含有机质的土壤类型存在显著正相关关系，与土壤pH值无显著相关性.而在土壤垂直剖面上，腐殖层（A1）的重金属含量高于残积层B（B1+B2）.同样，研究明确了土壤中铜、锌、钴总含量处于较低水平，锰的含量略低于可允许最高浓度值.该地区土壤重金属含量的增长趋势存在由深/浅栗钙土向盐碱地土壤转移的趋势，而且任何一种土壤类型内部的机械结构和腐殖土特征都会影响重金属的含量，比重小的土壤及弱腐殖土土壤重金属含量低，重金属总含量在土壤腐殖-残积层（A+B）中的分布是不均衡的，重金属聚积在腐殖层(A层)，且向B1、B2残积层迁移.

综上所述，通过研究建立当地土壤重金属数据库（铜、锌、锰、钴、铅、镉），并用于自然环境土壤重金属的进一步监测及研究工作，以及对耕种富含铜、锌、钴的谷类、饲料作物、葵花、土豆等作物的重金属污染研究提供数据支持.

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